5. Robot hand body 안정성 확보
가. hand body
hand body는 linear actuator를 이용하여 다양한 motion을 만들기 위한 기본이 되는 구성 요소이다. 이 구성요소에 linear actuator가 직접 연결되기 때문에 무엇보다 안정성이 확보되어야 한다.
(1) static analysis of hand body
hand body는 가벼우면서 강한 내구성을 가지고 있어야하고 무거운 물체를 들었을 때에도 변형량이 적어야 한다.
가볍게 하기 위해서 linear actuator가 설치되는 곳을 제외하고 일정 부분을 제거하여 무게를 줄이는 방법을 사용하였다. 그리고 내구성을 확보하기 위해서 설계 시 재료를 Aluminum으로 설정하고 이에 따른 static analysis를 실시하였다.
엄지손가락과 연결되는 부분을 고정하고 검지와 중지가 움직이는 부분에 50N의 하중을 12개의 node에 각각 주었다. 이때 Maximum value는 17.9392mm로 약 1.8cm이다. 큰 하중을 주었음에도 불구하고 변형량은 크지 않다는 것을 확인할 수 있다.
(2) modal analysis of hand body
정적해석과 더불어 필요한 것은 linear actuator가 구동할 때 발생할 수 있는 공진을 피하는 것이다. 이를 위해 hand body의 modal analysis이 필요하다.
각 mode의 frequency를 살펴보면 일단 1000Hz 이상이다. 해석 결과로부터 linear actuator가 구동할 때의 공진에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
6. Robot hand의 파지
가. Finger motion angle
robot hand가 불특정 형상의 물체를 파지하기 위해서는 세 손가락이 일정 각도 이상을 움직일 수 있어야 한다. 이 각도는 가장 기본이 되는 linear actuator 2개와 손가락 각 마디를 연결하고 있는 기어의 비를 이용하여 계산할 수 있다.
나. Rigid robot hand
flexible body의 경우와 비교하기 위해 일반적으로 강체라고 불리는 rigid 형태일 때 동역학적 해석을 먼저 수행하였다.
(1) Thin paper grasping motion
얇은 종이를 파지하기 위해서는 검지와 엄지의 끝이 맞닿아야한다.
검지를 굽히기 위해서는 앞에서 언급한 linear actuator가 down pitch motion을 주어야하고 이에 맞추어 기어 비에 맞는 손가락 마디의 움직임이 필요하다.
또한 엄지손가락에서 right yaw motion과 down pitch motion을 동시에 주어야한다.
하지만 이러한 motion을 구현하기는 쉬운 일이 아니며 손가락이 겹쳐져 simulation 상에서 파손이 일어날 수 있다. 그리고 실제 model에서도 같은 현상이 일어난다.
이에 motion을 구현하는 방법 중에 하나인 sensor를 각 손가락 앞에 장착하여 simulation상의 motion 구현에 신빙성을 높였다.
(2) Grasping column motion
다양한 크기의 Column을 잡기 위해서는 손가락을 최대치로 폈다가 Column이 존재하는 위치로 이동하여 Column을 쥐어야한다. 손가락을 모두 사용하여 Column을 쥐어야하기 때문에 모든 손가락에 up & down pitch motion이 필요하다.
또한 크기가 다양한 Column이 존재하기 때문에 그 크기에 맞는 손가락들의 움직임을 구현해야하며 Column를 파손하지 않기 위해 sensor를 이용하였다.
(3) Sphere grasping motion
Sphere의 경우는 up & down pitch motion과 right & left yaw motion을 동시에 구현해야 하는 다소 쉽지 않은 motion이다.
또한 Sphere가 곡면으로 이루어져 있기 때문에 simulation 상에서 손가락이 Sphere안을 파고드는 현상이 발생할 수 있다.
역시 마찬가지로 sensor를 이용하여 현상을 제어할 수 있으며 motion을 구현하였다.
다. Flexible robot hand
앞 절의 결과처럼 rigid일 경우 해석 시 변위가 없다는 것을 확인할 수 있다.
하지만 flexible일 경우에는 hand body 자체적인 처짐과 각 모션시 발생할 수 있는 hand body의 변형을 확인할 수 있다. 앞 절에서 실시한 동역학적 해석을 hand body를 flexible로 변환한 후 다시 같은 해석을 실시하였다.
(1) Thin paper grasping motion
얇은 종이를 파지하는 해석을 실시하면 rigid body로 해석했을 경우와 같은 변위가 없는 것을 볼 수 있다. 이 변위는 CM 즉 hand body의 무게 중심에서 측정한 것이다.
손가락이 연결되는 부분에서는 처짐이 발생하는 것처럼 보이지만 이 처짐이 CM까지 전달되지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
이로서 검지와 엄지만을 사용하여 얇은 종이를 파지할 경우는 그 해석에 의한 영향이 무게 중심까지 영향을 미치지 않아 hand body는 안정하다고 볼 수 있다.
(2) Grasping column motion
Column을 잡는 해석의 경우는 변위가 발생하였다.
이 경우는 검지와 중지가 같이 움직이며 잡기 위해 엄지가 움직이기 때문에 3손가락의 움직임에 의한 영향이 전달된다는 것이다.
Column을 잡기 위해 손가락을 펼 때는 거의 변화가 없지만 손가락을 구부리기 시작하면 Z축으로 즉 손가락을 구부리는 방향으로 변위가 발생한다. 하지만 그 변위는 0.25mm로 미세하다.
나노단위의 작은 물체를 잡는 것이 아니기 때문에 0.25mm의 처짐은 Column을 잡는 것에 큰 영향을 미치지 않는다.
(3) Sphere grasping motion
Sphere의 경우는 up & down pitch motion과 right & left yaw motion을 동시에 구현해야 한다고 언급하였다. 이에 움직임에 따라 변위가 많은 변화를 보이는 것을 확인할 수 있다.
Z축의 데이터를 확인해 보면 처음 Sphere를 잡기 위해 손가락을 모으는 motion부분에서는 Sphere가 있는 방향으로 처짐이 발생하지만 손가락을 모은 다음 구부리는 해석에서는 오히려 반대 방향으로 변위가 상승하는 것을 볼 수 있다.
인간의 손을 보면 손가락을 모으게 되면 손가락과 손등이 연결되는 관절이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
robot hand에서 마찬가지로 상승해야하기 때문에 손가락을 모으는 해석 시 CM의 변위가 Sphere가 존재하는 방향으로 발생하게 되는 것이고 손가락을 구부리게 되면 손가락을 모으는 motion과 구부리는 motion이 같이 일어나면서 변위가 상승하는 것이다.
하지만 이러한 변위 폭도 약 0.01mm에 불과하다. 이로써 손가락이 움직일 경우 hand body의 안정성은 확보되었다.
7. 결론
본 연구에서 제작한 robot hand는 과거의 robot hand가 가지고 있던 단점을 보완하면서 실제의 인간의 hand와 같은 형상을 가진 robot hand를 만들기 위한 중간 단계의 결과물이다.
불특정 형상을 가진 물체를 정밀하게 파지하기 위해 modal analysis 및 multi & Flexible dynamics analysis를 통해 hand의 안정성을 확보하였고 실제로 robot hand를 제작하였다.
